鉛芯隔震橡膠支座的低溫表現(xiàn)

2016-11-06  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

作者:資道銘 韋亮陸 莫曲浪

汶川大地震后,各界均對結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)進行了新的思考,用于橋梁的各種減隔震裝置也紛紛面世。其中,鉛芯隔震橡膠支座是最早被使用,并且應(yīng)用得最廣泛的隔震產(chǎn)品。

不過,由于我國地域廣闊,各地的環(huán)境、氣候差異非常大,最低溫度從0℃ 到-40℃不等,所以,鉛芯隔震橡膠支座在低溫環(huán)境中的表現(xiàn)值得研究。

低溫對支座性能的影響

鉛芯隔震橡膠支座由橡膠層、鋼板等迭層粘結(jié)再灌入鉛芯棒組合而成(結(jié)構(gòu)如圖1)。鋼板提高支座豎向剛度, 使之能有效地支承橋梁上部結(jié)構(gòu)和建筑物結(jié)構(gòu);橡膠層賦予支座高彈性變形及復位和承載的功能;鉛金屬具有“再結(jié)晶”的性能,當支座發(fā)生剪切變形時,鉛芯棒會被擠壓變形、剪斷,而后又會慢慢結(jié)晶起來,這個過程中便會消耗能量,從而增大支座的阻尼。因此,鉛芯隔震橡膠支座既具有較高的承載性,又具有較大的阻尼、大水平位移能力和復位功能。

如圖2所示,影響鉛芯隔震橡膠支座水平性能的主要是支座的橡膠體及鉛芯棒。溫度變化對鉛芯隔震橡膠支座水平性能的影響也主要體現(xiàn)在對橡膠及金屬鉛的影響。

低溫對橡膠材料的影響

橡膠的低溫性能可以從兩方面考慮:一是橡膠的低溫脆性,二是橡膠在低溫下的結(jié)晶性能。鉛芯隔震橡膠支座一般使用的是天然橡膠,它的低溫脆性可達到-50℃以下,所以本文不再贅述。低溫對天然橡膠模量的影響,則是本文要研究的。

根據(jù)硫化橡膠壓縮耐寒系數(shù)的測定,我們對鉛芯隔震橡膠支座所用膠料在40℃、23℃、0℃、-10℃、-25℃、-4 0℃的彈性模量進行測試,測試結(jié)果見圖3,橡膠在-40℃時與23℃時的模量變化最大值為+24%。

低溫對支座的影響

影響鉛芯隔震橡膠支座水平性能的只有橡膠與鉛棒兩種材料。由于橡膠變化已經(jīng)測出,所以我們不再單獨檢測鉛的溫度性能,而是直接對支座進行不同溫度的檢測。圖4—圖7列出了支座在23℃、40℃、-25℃、-40℃時的溫度試驗滯回曲線。表1中列出了支座在不同溫度情況下的水平力學性能值。

圖8中列出了支座二次剛度、水平等效剛度、鉛芯屈服力及支座阻尼比隨著溫度改變的變化率。由圖可以看出, 與23℃試驗值相比,溫度從40℃至-40℃時,支座水平性能還是有一定變化的,但整體表現(xiàn)可控。其中,阻尼值變化在10%以內(nèi);鉛芯屈服力在-25℃以下時變化明顯增加, 說明極低溫對鉛芯材料的力學性能是有一定影響的;支座的二次剛度與等效剛度在-25℃時,分別增加了22%、19%,在-40℃時,分別增加了44%、39%。

支座整體耐低溫性能良好

鉛芯隔震橡膠支座所用的天然橡膠具有較好的耐低溫性能,在-40℃還未發(fā)生結(jié)晶。-25℃以下的溫度對鉛的性能影響較大,當溫度達到-40℃時,鉛芯屈服強度增加達到70%。由于鉛芯隔震橡膠支座所用的橡膠耐低溫性能較好,與鉛芯棒組合后的隔震支座整體耐低溫性能表現(xiàn)還比較理想。與23℃時相比,當溫度在-25℃、-40℃,二次剛度分別增加22%、44%,等效剛度增加19%、39%。當然,針對這些變化,還需要分析其對橋梁隔震效果的影響。

低溫對支座隔震效果的影響

針對鉛芯隔震橡膠支座隨溫度降低而出現(xiàn)的性能變化,本文對支座產(chǎn)生變化后的性能參數(shù)分別輸入實橋隔震體系,以分析溫度變化后橋梁隔震效果有何變化。由前文可知,在40℃、0℃、-10℃情況下,鉛芯隔震橡膠支座的性能變化比較小,所以我們只做23℃與-25℃、-40℃的比較,以了解支座用于低溫地區(qū)的邊際條件或注意事項。

建立計算模型

分析計算模型取整橋為研究對象,結(jié)構(gòu)為3×20m+3×20m 兩聯(lián)連續(xù)箱梁,箱梁為單箱雙室截面。橋面寬10.5m,墩高最高10m、最矮3m,采用直徑為1.5m雙柱圓形墩,樁基采用單柱樁D160,橋梁立面圖如圖9、圖10所示。

所選的特征橋址所在地抗震設(shè)防烈度為8度,基本加速度峰值為0.2g,場地為Ⅱ類場地土,根據(jù)《抗震細則》的9.3.6條規(guī)定,混凝土梁橋、拱橋的阻尼比不宜大于0.05, 因此在這里取阻尼比為0.05。本橋抗震設(shè)防類別為B類,場地卓越周期Tg=0.35s,按抗震規(guī)范6.1.3,本橋?qū)儆诜且?guī)則橋梁。

依據(jù)空間梁格桿系理論,采用Midas/Civil 2012軟件進行計算分析,對結(jié)構(gòu)模型進行非線性時程分析計算,邊界條件兩臺位置采用支座底固結(jié),其他各墩采用墩底固結(jié)。建立全橋模型如圖11所示。

在建模時,各構(gòu)件截面特性、連接方式及邊界條件均按實際情況確定,較為真實地模擬實際結(jié)構(gòu)的力學特點。

為了對比橋梁低溫時隔震效果,并與傳統(tǒng)抗震方法相比較,現(xiàn)采用以下4種工況進行分析。

(1)支座布置為傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)方式:支座采用抗震盆式支座,2#、4#墩均采用固定盆式支座,其余墩、臺采用單向活動及雙向活動盆式支座。

(2)23℃時鉛芯隔震橡膠支座用于橋梁隔震效果分析。

(3)-25℃時鉛芯隔震橡膠支座用于橋梁隔震效果分析。

(4)-40℃時鉛芯隔震橡膠支座用于橋梁隔震效果分析。

地震動輸入

本橋在E1和E2地震作用下均可采用TH分析計算方法。

結(jié)合橋梁資料,根據(jù)抗震規(guī)范,該橋的抗震重要性系數(shù)Ci對E1地震作用取0.5、對E2地震作用取1.7,Cs場地系數(shù)取1,Cd阻尼調(diào)整系數(shù)取1,A設(shè)計基本加速度峰值取0.2g, 因此,水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜最大值Smax=2.25CiCsCdA, 對E1為2.205m/s2,對E2為7.4925m/s2。對應(yīng)計算得到地震波加速度峰值對E1為0.98 m/s2,對E2為3.33 m/s2。

在進行該橋梁的地震時程響應(yīng)計算時,依據(jù)公路工程抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定,應(yīng)采用多條地震波進行計算分析。為便于比較,現(xiàn)選用三條實際記錄的地震波,根據(jù)計算得到的加速度峰值對地震波進行調(diào)整后,得到的地震波加速度時程曲線如圖12和圖13所示。

隔震方案及支座參數(shù)

在本文中,以下把未采取隔震裝置的橋梁結(jié)構(gòu)簡稱為“抗震結(jié)構(gòu)”,而把采用隔震裝置的結(jié)構(gòu)簡稱為“隔震結(jié)構(gòu)”。 支座布置方案為:0#、6#臺及3#墩(左右)均采用J4Q420x420x125,而1#、2#、4#、5#墩均采用J4Q720x720x137。在本報告中對應(yīng)23℃、-25℃及-40℃ 不同溫度情況,分別采取3種隔震方案,對上述不同抗震(隔震)結(jié)構(gòu)的動力計算模型進行了相應(yīng)的修改,對應(yīng)不同溫度的隔震結(jié)構(gòu)分別簡述為隔震一、隔震二、隔震三。支座在相應(yīng)幾種溫度時水平性能見表2。

動力特性分析

連續(xù)梁的動力特性是研究連續(xù)梁動力行為的基礎(chǔ),其自振特性決定其動力響應(yīng)的特性。本節(jié)首先采用圖11計算模型,對該橋進行了動力特性分析,前5階自振頻率如表3 所示。

抗震結(jié)構(gòu)的基頻為1.045Hz,結(jié)構(gòu)前5階振型特征主要表現(xiàn)為主梁縱飄和側(cè)向彎曲振動。與抗震結(jié)構(gòu)相比,三種溫度情況下隔震結(jié)構(gòu)的基頻分別為0.736Hz、0.804Hz、0.864Hz,與抗震結(jié)構(gòu)相比,基頻均有不同程度的減小,可以減小地震響應(yīng)。

結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

本文采用時程法計算時,選用提供的3條地震波作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的最大值,計算結(jié)果均只考慮地震作用效應(yīng),由于只作隔震效果比較,未提取樁的受力。受篇幅所限,本文只提取E2地震作用下的數(shù)據(jù)進行比較(見表4~8)。

支座可減小地震響應(yīng)

與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)相比,當溫度在40℃到-40℃之間時,使用鉛芯隔震橡膠支座后,橋梁基頻均有一定程度的減小,可以減小地震響應(yīng)。

單從隔震體系看,與23℃時相比,雖然隔震橋在-40℃ 時的受力會有所增大,但增加值仍在可接受范圍內(nèi)。而且,與傳統(tǒng)抗震方法相比,使用鉛芯隔震橡膠支座后,在各溫度下都可以大幅度減小地震力引起的上部梁結(jié)構(gòu)對下部墩體結(jié)構(gòu)的作用力,具有非常良好的隔震效果。在23℃、-25℃、-40℃溫度下、在E2地震作用下,鉛芯隔震橡膠支座在順橋向的最大隔震率分別為89%、 86% 和82%,橫橋向的最大隔震率分別為80%、75%和68%。在順橋向布置活動支座的墩上,由于這些墩在抗震結(jié)構(gòu)中根本不承擔什么地震力,所以,在使用隔震方式后,墩的受力反而會增加。這些墩力值增大恰恰使墩底內(nèi)力分布更加合理,減少內(nèi)力分布集中于某一固定墩上,使地震力均勻分配到各個墩上。

在23℃、-25℃、-40℃溫度環(huán)境,E2地震作用下, 鉛芯隔震橡膠支座在順橋向的最大位移(剪切變形)分別為89mm、90mm、102mm,橫橋向位移分別為85mm、97mm、86mm;縱橋向相應(yīng)產(chǎn)生的支座最大反力為514KN、646KN 、834KN,橫橋向最大反力為512KN 、687KN、804KN。

此外,本分析假定支座不會破壞,但實際卻并非如此。根據(jù)計算結(jié)果可知,抗震方式的固定支座在E2地震作用順橋向受力達到了豎向承載力的91%,橫橋向達到了豎向承載力的71%,一些單向活動支座的橫橋向受力也達到了豎向承載力的60%以上,支座早已經(jīng)被破壞。雖然說支座破壞可能對橋墩受力有些好處,但由于失去支撐,梁體也將發(fā)生很大的損壞甚至發(fā)生落梁。

總結(jié)如下:

(1)溫度變化對鉛芯隔震橡膠支座的水平性能具有一定影響。當溫度低于-25℃時,支座性能變化率明顯增大。

(2)分析結(jié)果表明,使用傳統(tǒng)的鋼支座作抗震設(shè)計, 支座所承受的水平力遠遠超出傳統(tǒng)抗震盆式支座所能承受的能力(水平力一般為豎向承載力的20%)。如果專門針對水平力進行支座設(shè)計,不僅支座本身結(jié)構(gòu)不太合理,而且設(shè)計出的支座雖然可以抵抗地震力,但其巨大的力也要傳遞到墩臺結(jié)構(gòu),使墩臺結(jié)構(gòu)難以設(shè)計。

(3)溫度變化使鉛芯隔震橡膠支座的性能發(fā)生變化, 對橋梁隔震的效果也是有影響的。隨著溫度的降低,支座水平剛度會增大,隔震橋梁所受的地震力也會增大,并且地震力反應(yīng)相對支座剛度增加還有放大效應(yīng)。值得注意的是,溫度降低,支座剛度增大后,E2地震下橋梁位移反應(yīng)并沒有減小。

(4)在最低溫度達到-25℃的地區(qū),溫度對使用鉛芯隔震橡膠支座的隔震橋梁影響較小,設(shè)計時可以不用再考慮溫度的影響。而在-40℃的溫度,使用鉛芯隔震橡膠支座進行隔震設(shè)計仍比傳統(tǒng)抗震方法有巨大的優(yōu)勢,但動力反應(yīng)增加達70%,所以設(shè)計時需考慮低溫影響,做相應(yīng)的動力分析,增加墩柱的抗彎、抗剪能力。

(作者單位:柳州歐維姆機械股份有限公司 柳州東方工程橡膠制品有限公司)

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